楊婧燁,陸冰清,陳江平

(上海交通大學(xué)制冷及低溫工程研究所,上海 200240)

前言

能源緊缺和氣候環(huán)境的惡化使得能源的梯級有效利用受到廣泛關(guān)注。發(fā)動機廢熱是中低溫余收的主要來源[1-3],燃油燃燒過程中60%～70%的能量會隨著尾氣排放至大氣造成資源浪費和環(huán)境污染。發(fā)動機廢熱主要分布在3個部分:發(fā)動機高溫煙氣余熱、發(fā)動機缸套水廢熱和發(fā)動機冷卻液。小型有機朗肯循環(huán)作為應(yīng)用于中低溫廢熱回收的主要技術(shù)手段之一,其工質(zhì)選擇一直是國內(nèi)外汽車行業(yè)研究的熱點。

Shale[4]評估了多種工質(zhì)在中低溫余熱回收中的應(yīng)用,指出HFC型制冷劑如R134a和R245fa是適用于有機朗肯循環(huán)的低臨界溫度工質(zhì)；Quolin[5]明確指出R245fa是適用于商用中低溫廢熱回收有機朗肯循環(huán)中的常見工質(zhì)；Muhammad[6]建立了1kW的小型有機朗肯循環(huán),應(yīng)用R123作為工質(zhì)獲得4.66%的熱效率；Li[7]基于帶回熱結(jié)構(gòu)的有機朗肯循環(huán)研究應(yīng)用R123作為工質(zhì)獲得約6kW輸出功。

隨著全球氣候變暖的影響,制冷劑選擇標準[8-9]不再局限于ODP(ozone depletion potential)為零,2017年 MAC Derivative提出未來GWP(global warming potential)高于150的制冷劑均應(yīng)被禁止使用。尋求環(huán)境友好型的清潔制冷劑的替代工作迫在眉睫。應(yīng)用于有機朗肯循環(huán)中的高GWP制冷劑也將面臨淘汰危機。一批新HCFO型低GWP制冷劑[10-12]因其物性與R134a和R245fa相近有望替代成為低溫有機朗肯循環(huán)工質(zhì),其中包括R1234yf,R1234ze,R1233zde和 R1336mzzZ。

為了研究R1233zde作為R245fa替代物應(yīng)用于低溫有機朗肯循環(huán)中的可行性,本文中針對有機朗肯循環(huán)建立了穩(wěn)態(tài)的系統(tǒng)仿真模型,包括4部件的獨立模型。基于仿真模型分析比較了R12333zde和R245fa在給定工況下,各系統(tǒng)性能參數(shù)包括蒸發(fā)溫度、泵耗功和循環(huán)熱效率,說明 R1233zde替代R245fa的可行性。

表1 工質(zhì)物性參數(shù)對比

圖1 T-S飽和曲線對比

圖2 飽和壓力對比

1 工質(zhì)物性

有機朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇遵循基本的制冷劑物性要求,無毒無腐蝕性且不含ODP。除此之外,根據(jù)有機朗肯的循環(huán)特性,工質(zhì)在性能參數(shù)上還必須滿足低臨界壓力、高臨界溫度的要求從而產(chǎn)生高的蒸發(fā)溫度以獲得更高的循環(huán)熱效率。常見應(yīng)用于低溫余熱回收的R245fa工質(zhì)雖然不含ODP,但其GWP高達1 030,在未來更加嚴格的排放法規(guī)的標準下面臨禁用的危機。R1233zde因其物性與R245fa十分相近被提出有望替代成為新余熱回收有機工質(zhì)。表1分別是R1233zde和R245fa的主要物性參數(shù)對比,圖1[13]為兩種工質(zhì)的飽和T-S曲線對比,圖2為兩種工質(zhì)相同飽和溫度下對應(yīng)的飽和壓力值的比較。可以看出,雖然兩者物性十分相似,但R1233zde的臨界壓力稍低于R245fa且臨界溫度略高,理論分析認為R1233zde在相同的最大工作壓力條件下可以獲得更高的蒸發(fā)溫度,循環(huán)熱效率也會相應(yīng)提高。

2 系統(tǒng)仿真

系統(tǒng)仿真的目的是為了比較相同工況下R1233zde與R245fa主要性能參數(shù)表現(xiàn)。因此,針對有機朗肯循環(huán),本文中搭建了穩(wěn)態(tài)的半經(jīng)驗系統(tǒng)模型,為了簡化計算做出了必要的假設(shè)從而無法作為完全預(yù)測型的系統(tǒng)模型。圖3為靜態(tài)仿真模型的算法流程圖,算法主要包括3個收斂條件,對蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹機進行狀態(tài)參數(shù)的迭代計算。模型相關(guān)假設(shè)如下:

(1)工質(zhì)泵與膨脹機循環(huán)效率被視作常數(shù)計算,分別為0.75和0.8；

(2)忽略管路及部件的壓降；

(3)忽略部件與外部的傳熱損失等；

(4)過冷度作為模型的輸入條件之一。

圖3 算法流程圖

2.1 獨立部件模型

(1)熱交換器

熱交換器的獨立部件模型采用穩(wěn)態(tài)集中參數(shù)分布法。相區(qū)分布見圖4,圖中Tr和hr分別代表了制冷劑側(cè)溫度和焓值；下角標l,tp和v分別表示液態(tài)、兩相和氣態(tài)；下角標sf表示第二側(cè)流體。

傳熱區(qū)域分為過冷、兩相和過熱區(qū)域。蒸發(fā)器與冷凝器的計算主要區(qū)別在于相區(qū)換熱關(guān)聯(lián)式的選擇,單相區(qū)均使用Muley(1998)。傳熱計算采用ENTU法計算換熱量和各相區(qū)換熱面積。表2列出了換熱器模型中所應(yīng)用的換熱關(guān)聯(lián)式。

圖4 相區(qū)分布

表2 各相區(qū)傳熱關(guān)聯(lián)式

(2)工質(zhì)泵及膨脹機

工質(zhì)泵采用的是Ylya Teleman[14]提出的簡化模型,工質(zhì)泵的流量和功耗為

式中:vin為泵進口的比體積；ηmp為泵的效率。

膨脹機的理想出口溫度為

式中k為該工質(zhì)的絕熱系數(shù)。

實際出口焓值由膨脹機的等熵效率修正:

式中:ηmech為膨脹劑的機械效率；Vs_cp為渦旋壓縮的工作容積；rv為設(shè)計體積比。

系統(tǒng)整體的循環(huán)效率為

2.2 參數(shù)校核

模型參數(shù)的校核基于全工況實驗數(shù)據(jù)所得。表3和表4分別為系統(tǒng)模型的輸入?yún)?shù)和傳熱關(guān)聯(lián)式的修正系數(shù)。圖5為仿真模型與實驗流量值的對比,精度在3%左右。

表3 模型輸入?yún)?shù)

表4 傳熱關(guān)聯(lián)式修正參數(shù)

圖5 流量精度擬合

3 結(jié)果分析

基于修正后的仿真模型對R1233zde和R245fa進行分析計算。保證外部工況條件相同,控制熱源流量與冷源側(cè)不變,僅改變熱源溫度,從80℃連續(xù)變化至120℃,蒸發(fā)器出口過熱度控制在2℃。通過迭代計算得到兩種工質(zhì)的狀態(tài)點分布及性能參數(shù)指標大小。圖6為工質(zhì)泵耗功的比較,隨著熱源溫度的上升,工質(zhì)泵耗功也逐漸增加,在相同的外部工況下,R1233zde系統(tǒng)所消耗的泵功明顯少于R245fa系統(tǒng),減少幅度在15.05%～17.02%之間。原因是在相同的運行溫度下R1233zde對應(yīng)的工作壓力較低。工質(zhì)泵作為系統(tǒng)動力的主要來源,其耗功大小也影響著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣,減少泵耗功是系統(tǒng)優(yōu)化的方向之一。

圖6 工質(zhì)泵耗功對比

圖7 循環(huán)熱效率對比

圖7為各個熱源工況下R1233zde和R245fa系統(tǒng)的循環(huán)熱效率的對比。結(jié)果表明,R1233zde的循環(huán)效率略高于 R245fa。對應(yīng) 120℃熱源工況下,R1233zde的循環(huán)效率優(yōu)于R245fa約7.03%。原因是,相同工況下,R1233zde消耗的泵功相對更少,在最大工作壓力下,R1233zde可達到的蒸發(fā)溫度更高,相應(yīng)的循環(huán)熱效率也就越高。

圖8 100℃熱源下T-S狀態(tài)點分布對比

圖8列舉了100℃熱源工況下,R1233zde與R245fa在T-S曲線上各個狀態(tài)參數(shù)點的分布。由圖可知,在給定相同的工況條件下,R1233zde可以達到相對更高的蒸發(fā)溫度,在冷凝狀態(tài)相近的情況下,更高的蒸發(fā)溫度帶來更優(yōu)的熱效率。在Bala V.Dalta[15]的實驗分析中,R1233zde的熱效率比R245fa高出了8.7%。綜上所述,R1233zde被認為是性能略優(yōu)于R245fa的低GWP制冷劑,完全有能力替代R245fa成為中低溫有機朗肯余熱回收的主要有機工質(zhì)。

4 結(jié)論

基于仿真結(jié)果認為,低GWP的R1233zde在未來有望成為替代R245fa應(yīng)用于中低溫有機朗肯余熱回收技術(shù)中的有機工質(zhì)。

(1)R1233zde臨界壓力較R245fa低,臨界溫度相對高,可以在最大運行壓力下比R245fa達到更高的蒸發(fā)溫度從而提升熱效率,120℃工況下大約提升7.03%。

(2)應(yīng)用R1233zde可以有效減少工質(zhì)泵耗功,優(yōu)化系統(tǒng)整體性能表現(xiàn)。

(3)因R1233zde與R245fa的物性十分相似,在零部件的設(shè)計上可以沿用R245fa系統(tǒng)部件而不存在硬件需求上的難度。

(4)R1233zde的GWP值僅為R245fa的1/150,ODP接近于0對環(huán)境無損害,安全等級A1且不可燃,符合新制冷劑替代的要求。